好氧顆粒污泥（AGS）技術(shù)起源于20世紀(jì)90年代，被認(rèn)為是最具發(fā)展前景的污水處理工藝之一。與傳統(tǒng)活性污泥相比，AGS具有規(guī)則的形態(tài)、緊實(shí)的結(jié)構(gòu)、良好的沉降性能以及高濃度生物量，能承受高強(qiáng)度的有機(jī)有毒廢水沖擊。碳氮負(fù)荷及其比值（C/N）是影響AGS形成和穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。一般來(lái)說(shuō)，較高的C/N（7.5~30）有利于異養(yǎng)菌快速生長(zhǎng)，形成蓬松絮體和大顆粒；而較低的C/N（2~5）則會(huì)形成以慢速生長(zhǎng)菌為主的穩(wěn)定致密小顆粒。Luo等人研究發(fā)現(xiàn)C/N由4降至1時(shí)，AGS的物理特性、硝化性能和胞外聚合物（EPS）含量均會(huì)下降，微生物群落發(fā)生顯著變化，進(jìn)而導(dǎo)致顆粒解體。在實(shí)際應(yīng)用中存在著大量低C/N同時(shí)碳氮負(fù)荷波動(dòng)大的廢水，如藥廠、垃圾填埋場(chǎng)、化肥廠和石化行業(yè)廢水等，利用好氧顆粒污泥技術(shù)處理該類廢水還需進(jìn)一步深入實(shí)踐。
目前有研究提出通過(guò)調(diào)整操作條件，在系統(tǒng)進(jìn)入曝氣階段前設(shè)置前置缺氧段來(lái)提高碳源不足時(shí)的反硝化效率。同時(shí)，顆粒內(nèi)部能夠形成缺氧層，定植更多反硝化菌，提高好氧顆粒污泥系統(tǒng)的穩(wěn)定性。Kocaturk等人研究發(fā)現(xiàn)，在曝氣前引入缺氧段能夠通過(guò)改變C/N調(diào)節(jié)硝化菌及異養(yǎng)菌之間的種群分布，在C/N為7.5的條件下好氧顆粒污泥對(duì)COD的去除率可達(dá)75%~90%，TN去除率高達(dá)90%以上。Chen等人通過(guò)交替厭氧/好氧結(jié)合分步進(jìn)水模式，在C/N為5和3的條件下，均能實(shí)現(xiàn)超過(guò)90%的氮去除效率。值得注意的是，缺氧段的泥水混合效果會(huì)影響AGS特性和污染物去除效率。但目前關(guān)于缺氧段泥水混合程度對(duì)AGS穩(wěn)定性影響的研究結(jié)果不一致，因此，缺氧段泥水混合效果對(duì)AGS的影響機(jī)理還需進(jìn)一步探究。
基于此，接種好氧顆粒污泥后處理不同C/N的廢水，通過(guò)在缺氧段施加和不施加外循環(huán)操作，考察AGS長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中污泥形態(tài)特征、污染物去除性能、EPS含量和組成、微生物菌落結(jié)構(gòu)的變化，探究系統(tǒng)缺氧段混合效果對(duì)AGS穩(wěn)定性的影響機(jī)理，以期為好氧顆粒污泥技術(shù)的應(yīng)用提供參考。
1、材料與方法
1.1 實(shí)驗(yàn)材料
接種好氧顆粒污泥是在低C/N（碳氮負(fù)荷為400/100mg/L）下培養(yǎng)并冷藏放置近6個(gè)月的顆粒污泥，MLSS為2.61g/L，MLVSS為2.41g/L，污泥體積指數(shù)（SVI30）為100mL/g。
1.2 實(shí)驗(yàn)裝置與操作條件
實(shí)驗(yàn)采用圓柱形有機(jī)玻璃材質(zhì)SBR反應(yīng)器，內(nèi)徑為5cm，有效高度為100cm，有效高徑比（H/D）為20，有效工作體積為2L。反應(yīng)器從底部進(jìn)水，中部排水，體積交換率為50%。每周期為4h，每天運(yùn)行6個(gè)周期。單周期運(yùn)行方式為進(jìn)水5min、缺氧55min、曝氣170min、沉降5min、排水5min，由時(shí)間控制開關(guān)自動(dòng)控制。在好氧段，由設(shè)置在反應(yīng)器底部的曝氣石曝氣，曝氣流量控制在1.2L/min（即表面氣速約為1cm/s），水力停留時(shí)間（HRT）為8h。缺氧段開啟外循環(huán)操作時(shí)，使用蠕動(dòng)泵將反應(yīng)器上層廢水通過(guò)外部軟管輸送至反應(yīng)器底部。蠕動(dòng)泵流量控制在60mL/min，使顆粒污泥層膨脹高度控制在一定范圍，避免顆粒污泥揚(yáng)起被循環(huán)帶走。
1.3 廢水水質(zhì)
系統(tǒng)進(jìn)水為人工模擬廢水。碳源為含量60%的工業(yè)乙酸鈉，氮源為硫酸銨，磷源為磷酸二氫鉀，通過(guò)投加碳酸氫鈉調(diào)控pH在7.5左右。其他的營(yíng)養(yǎng)液和微量元素包括：KH2PO4為22.5mg/L，CaCl2·2H2O為12.5mg/L，MgSO4·7H2O為15mg/L，FeSO4·7H2O為10mg/L，MnCl2·4H2O為0.12mg/L，ZnSO4·7H2O為0.12mg/L，CuSO4·5H2O為0.03mg/L，（NH4）6Mo7O24·4H2O為0.05mg/L，NiCl2·6H2O為0.1mg/L，CoCl2·6H2O為0.1mg/L，AlCl3·6H2O為0.05mg/L，H3BO3為0.05mg/L。不同時(shí)期的進(jìn)水碳氮負(fù)荷提升情況如表1所示。
1.4 分析項(xiàng)目與測(cè)試方法
COD、氨氮、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮采用哈希DR3900紫外可見光度計(jì)測(cè)定。SVI、MLSS、MLVSS等按照美國(guó)APHA標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)定。好氧顆粒污泥的表觀形態(tài)采用奧林巴斯XTL-300型光學(xué)顯微鏡觀察，顆粒粒徑使用馬爾文2000型激光粒度儀測(cè)定。
胞外聚合物（EPS）分為疏松層EPS（LB-EPS）和緊密層EPS（TB-EPS），采用水熱提取法分別提取。EPS含量為蛋白質(zhì)（PN）和多糖（PS）含量之和，PN采用考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定，以牛血清白蛋白為標(biāo)準(zhǔn)樣品；PS采用蒽酮-硫酸比色法測(cè)定，以葡萄糖為標(biāo)準(zhǔn)樣品。
1.5 顆粒污泥微生物群落分析
在系統(tǒng)運(yùn)行的不同時(shí)間段取出污泥樣品20mL，于8000r/min離心15min后收集沉淀污泥，保存于-80℃冰箱中備用。使用PowerSoil®DNA分離試劑盒提取樣本DNA，以Qubit2.0DNA試劑盒測(cè)量其純度和濃度。使用27F/1492R引物組對(duì)細(xì)菌16SrDNA基因的V1-V9區(qū)進(jìn)行擴(kuò)增，將最終的反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行AMpurePBBeads純化后置于SequelⅡ測(cè)序儀上進(jìn)行上機(jī)測(cè)序。以Silva為參考數(shù)據(jù)庫(kù)，使用樸素貝葉斯分類器對(duì)OTUs代表序列進(jìn)行分類學(xué)注釋，得到物種分類學(xué)信息，統(tǒng)計(jì)樣本在不同分類水平上的群落結(jié)構(gòu)。利用QIIME軟件計(jì)算各樣品的Ace、Chao1及Shannon指數(shù)。
2、結(jié)果與討論
2.1 好氧顆粒污泥特性
2.1.1 好氧顆粒污泥的形態(tài)特征
圖1是不同時(shí)期污泥的電鏡照片（除接種污泥和第220天的圖像比例尺為1倍，其余圖像皆為5倍）。接種時(shí)好氧顆粒污泥呈黃褐色，表觀結(jié)構(gòu)相對(duì)完整，說(shuō)明冷藏儲(chǔ)存對(duì)顆粒的物理結(jié)構(gòu)完整性影響不大。在階段Ⅱ碳氮負(fù)荷提升至400/50mg/L時(shí)，顆粒形態(tài)結(jié)構(gòu)依然能夠維持。在階段Ⅲ提升碳氮負(fù)荷至400/80mg/L，缺氧段開始加入外循環(huán)操作，此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)開始出現(xiàn)絮體與顆粒共存狀態(tài)。這種現(xiàn)象可以解釋為外循環(huán)操作提高了缺氧段的反硝化作用，上一周期殘留的硝態(tài)氮還原產(chǎn)生的氣態(tài)氮，對(duì)顆粒結(jié)構(gòu)造成了一定的沖擊，導(dǎo)致顆粒結(jié)構(gòu)分散，顆粒表面出現(xiàn)一定的絮體細(xì)菌。盡管如此，好氧顆粒污泥的沉降性能并沒有受到明顯影響。說(shuō)明此時(shí)的AGS已較好地適應(yīng)了高氨氮環(huán)境，微生物群落已趨于穩(wěn)定。在階段Ⅳ提升碳氮負(fù)荷至400/100mg/L，污泥形態(tài)以絮體和粒徑較小的顆粒為主，系統(tǒng)的沉降性能產(chǎn)生劇烈波動(dòng)。這主要是因?yàn)檫M(jìn)水氨氮負(fù)荷進(jìn)一步提升，致使反硝化過(guò)程產(chǎn)生了更多的氣態(tài)氮，對(duì)原有顆粒結(jié)構(gòu)造成了更為嚴(yán)重的沖擊，部分顆粒發(fā)生了破碎。但是，此階段并沒有觀察到絲狀菌生長(zhǎng)，說(shuō)明好氧顆粒僅物理結(jié)構(gòu)受到影響，而其穩(wěn)定性受到的影響不大。在階段Ⅴ提升碳氮負(fù)荷至600/150mg/L，并且缺氧段停止了外循環(huán)操作，系統(tǒng)內(nèi)開始形成明顯的大顆粒污泥，同時(shí)顆粒的密實(shí)程度顯著下降，穩(wěn)定性受到?jīng)_擊。在第220天，由于好氧顆粒沉降性能和氨氮去除性能惡化等原因，系統(tǒng)終止運(yùn)行。
2.1.2 好氧顆粒污泥濃度和沉降性能
系統(tǒng)污泥濃度隨時(shí)間的變化如圖2（a）所示。在階段Ⅰ，MLSS在第16天降至最低2.27g/L，MLVSS在第19天降至最低1.71g/L，MLVSS/MLSS降至0.69。這是因?yàn)榈蜏亻L(zhǎng)期儲(chǔ)存的顆粒污泥結(jié)構(gòu)疏松，剛加入到系統(tǒng)時(shí)，活性低、沉降性能差的污泥被大量排出系統(tǒng)。污泥活性逐漸回升之后，污泥濃度也隨之提高，在階段Ⅱ末MLSS和MLVSS分別達(dá)到3.78和3.10g/L，MLVSS/MLSS提升至0.82。進(jìn)入到階段Ⅲ和Ⅳ后，由于施加外循環(huán)的缺氧段混合效果大大提高，系統(tǒng)反硝化效果提升而產(chǎn)生的大量氣態(tài)氮黏附在顆粒污泥上，導(dǎo)致污泥沉降性能下降，外排流失，MLSS、MLVSS隨之明顯下降，最低降至1.44和0.68g/L，MLVSS/MLSS最低降至0.47。之后，系統(tǒng)逐漸適應(yīng)較高的進(jìn)水氨氮負(fù)荷條件，MLSS、MLVSS及MLVSS/MLSS在階段Ⅳ的中后期開始增長(zhǎng)。進(jìn)入到階段Ⅴ后，由于關(guān)閉缺氧段外循環(huán)，MLSS、MLVSS及MLVSS/MLSS呈現(xiàn)出先穩(wěn)定后上升再急劇下降狀態(tài)。這種現(xiàn)象可以解釋為：經(jīng)過(guò)前階段長(zhǎng)期運(yùn)行后，顆粒污泥已經(jīng)具有較強(qiáng)的物理和生物結(jié)構(gòu)，所以在該階段初期，雖然外循環(huán)停止，系統(tǒng)的MLSS、MLVSS仍能維持相對(duì)穩(wěn)定。但是，后期由于污泥長(zhǎng)期處于高碳氮負(fù)荷且缺氧條件不佳，其菌群結(jié)構(gòu)受到極大影響，穩(wěn)定性逐漸變差并大量排出系統(tǒng)，最終導(dǎo)致MLSS、MLVSS降低。
反應(yīng)器的SVI30和SVI30/SVI5隨時(shí)間的變化如圖2（b）所示。在階段Ⅰ反應(yīng)器的SVI30由100mL/g逐步下降，在第23天降至60mL/g，說(shuō)明冷藏顆粒污泥沉降性能恢復(fù)較快。在階段Ⅱ，反應(yīng)器的平均SVI30基本維持在53mL/g左右。在階段Ⅲ和Ⅳ添加了外循環(huán)操作后，反硝化過(guò)程產(chǎn)生的大量氣態(tài)氮對(duì)污泥沉降性能造成影響，尤其是階段Ⅳ的SVI30在100~200mL/g之間波動(dòng)。在階段Ⅴ，系統(tǒng)SVI30由100mL/g增加至170mL/g。從系統(tǒng)啟動(dòng)到階段Ⅲ結(jié)束SVI30/SVI5都穩(wěn)定在1左右，這表明系統(tǒng)顆粒污泥一直處于顆粒完全形成的狀態(tài)。在階段Ⅳ和階段Ⅴ，SVI30變化導(dǎo)致SVI30/SVI5波動(dòng)，此時(shí)顆粒污泥形態(tài)發(fā)生劇烈變化，沉降性能惡化，顆粒結(jié)構(gòu)瓦解。
2.1.3 好氧顆粒污泥的粒徑分布
好氧顆粒污泥的粒徑分布曲線見圖3。接種顆粒污泥的平均粒徑為672μm。這是因?yàn)樵?/span>4℃低溫下存儲(chǔ)時(shí)，顆粒污泥長(zhǎng)期處于饑餓狀態(tài)，顆粒內(nèi)部的EPS被當(dāng)作營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消耗，使得顆粒間的黏結(jié)性能下降，開始向四周擴(kuò)散所致。啟動(dòng)運(yùn)行之后，顆粒的粒徑逐漸減小，在階段Ⅱ末測(cè)得平均粒徑為206μm，此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)主要為細(xì)小的顆粒。在階段Ⅲ和Ⅳ加入外循環(huán)后，平均粒徑減小至144μm，這主要?dú)w因于前置缺氧段進(jìn)行的反硝化作用產(chǎn)生的氣態(tài)氮沖擊，導(dǎo)致顆粒結(jié)構(gòu)破碎。在階段Ⅴ顆粒逐漸向蓬松態(tài)轉(zhuǎn)變，顆粒粒徑增大至791μm。
2.2 好氧顆粒污泥的污染物去除性能
2.2.1 COD去除性能
運(yùn)行期間AGS對(duì)COD的去除效果見圖4。
在階段Ⅰ初期，反應(yīng)器對(duì)COD的去除效果并不理想，特別是第16天去除率最低至68%。說(shuō)明冷藏后的顆粒污泥活性較低，需要一定恢復(fù)周期。隨著污泥活性的逐步恢復(fù)，至該階段末COD去除率提升至90%。在階段Ⅱ~Ⅴ，好氧顆粒污泥始終保持良好的COD去除性能，去除率均達(dá)到了95%以上。這表明碳氮負(fù)荷的提升和缺氧段是否設(shè)置外循環(huán)對(duì)系統(tǒng)去除COD影響不大。
2.2.2 NH4+-N去除性能
系統(tǒng)對(duì)氨氮的去除性能如圖5所示。在階段Ⅰ系統(tǒng)對(duì)NH4+-N的去除率較低，這與冷藏顆粒污泥的硝化菌活性低有關(guān)。至該階段末期，硝化菌的活性完全恢復(fù)，NH4+-N去除率達(dá)到了98%。在階段Ⅱ雖然提升了碳氮負(fù)荷，但是碳氮比仍處于比較適宜顆粒污泥生長(zhǎng)的范圍，因此NH4+-N去除率達(dá)到了99%以上。在階段Ⅲ再次提高NH4+-N負(fù)荷至80mg/L，C/N為5，NH4+-N的去除率仍能達(dá)到99%以上。這可能是因?yàn)閱?dòng)了外循環(huán)裝置，系統(tǒng)在前置缺氧段進(jìn)行了充分泥水混合，使得反硝化菌與硝化菌活性都較高。在階段Ⅳ，NH4+-N負(fù)荷進(jìn)一步增加至100mg/L時(shí)，在初期和中期氨氮去除率有幾次波動(dòng)，但大部分情況下都維持在99%。表明好氧顆粒污泥在該負(fù)荷沖擊下具有良好的適應(yīng)性，而去除率波動(dòng)可能與污泥沉淀性能下降導(dǎo)致的濃度降低有關(guān)。在階段Ⅴ系統(tǒng)負(fù)荷進(jìn)一步增加至600/150mg/L，同時(shí)缺氧段停止了外循環(huán)。在該階段初期，基于好氧顆粒在前階段獲得的較高硝化活性，使得系統(tǒng)的NH4+-N平均去除率維持在99%以上。但運(yùn)行近3周后去除率迅速下降，在第193天降至77.54%，運(yùn)行末期降至33.87%。
2.2.3 TN去除性能
在階段Ⅰ，NO2--N產(chǎn)生一定累積，產(chǎn)生的NO3--N少，導(dǎo)致TN去除率很低。表明此時(shí)的系統(tǒng)完全硝化能力較差。系統(tǒng)運(yùn)行至階段Ⅰ末，雖然氨氮負(fù)荷增加，但NO2--N降低至1mg/L，NO3--N濃度升至30.8mg/L，TN平均去除率逐漸提升至21%。說(shuō)明硝化菌活性恢復(fù)，系統(tǒng)反硝化能力有所增強(qiáng)。在階段Ⅲ開始增加外循環(huán)操作后，雖然氨氮負(fù)荷大幅提升至80mg/L，TN去除率在前期波動(dòng)后不但沒有降低，反而提升至30%。在階段Ⅳ進(jìn)一步提升氨氮負(fù)荷，TN去除率進(jìn)一步提升至57%。在階段Ⅲ和Ⅳ，NO2--N基本沒有積累，說(shuō)明增加外循環(huán)可以使好氧顆粒污泥在前置缺氧段有效進(jìn)行反硝化反應(yīng)，提高了對(duì)TN的去除率。在階段Ⅴ碳氮負(fù)荷進(jìn)一步增加至600/150mg/L時(shí)，由于取消了外循環(huán)，NO2--N達(dá)到了19.6mg/L，反硝化效率大大降低，在后期去除率急劇下降至5%。
2.3 胞外聚合物含量分析
胞外聚合物對(duì)于微生物聚集、好氧顆粒污泥的形成和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定均具有重要作用。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的冷藏存儲(chǔ)好氧顆粒污泥中的PN會(huì)作為能源物質(zhì)被消耗，其濃度逐漸下降。在培養(yǎng)過(guò)程中，在LB-EPS中始終沒有檢測(cè)到PN，PS含量則由接種時(shí)的0.62mg/g降至第二階段結(jié)束時(shí)的0.11mg/g（第61天）。而后在階段Ⅳ和Ⅴ多糖含量持續(xù)增加，在第155天和第219天分別達(dá)到2.02、5.91mg/g。這可能是由于在階段Ⅳ好氧顆粒污泥為對(duì)抗施加外循環(huán)后產(chǎn)生的過(guò)量含氮?dú)怏w沖擊，分泌更多的PS來(lái)維持自身穩(wěn)定；而在階段Ⅴ停止外循環(huán)操作后顆粒結(jié)構(gòu)被破壞。此現(xiàn)象說(shuō)明好氧顆粒結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定時(shí)，可能會(huì)大量分泌LB-EPS幫助顆粒恢復(fù)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，可以推測(cè)高碳氮負(fù)荷下停止外循環(huán)會(huì)弱化顆粒結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致LB-EPS大量分泌。
B-EPS大量分泌。對(duì)于TB-EPS而言，0、61、155、219d的PS含量分別為12.55、15.21、16.10、12.65mg/g，PN含量為4.02、12.76、18.15、19.47mg/g，對(duì)應(yīng)的PN/PS為0.32、0.84、1.13、1.54。可見，接種污泥的EPS內(nèi)層PN含量也處于較低水平，而在階段Ⅲ~Ⅴ其含量逐步增加。據(jù)報(bào)道，TB-EPS中的PN與顆粒的疏水性直接相關(guān)，是維持顆粒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的重要因素。由此可知，好氧顆粒污泥受到?jīng)_擊時(shí)可能會(huì)在TBEPS中產(chǎn)生大量PN。同時(shí)，TB-EPS中的PS含量始終維持在較高水平。Tay等認(rèn)為TB-EPS中β-多糖可提高微生物間的黏附力，強(qiáng)化AGS結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。因此TB-EPS中的PS可能在顆粒結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定時(shí)對(duì)維持好氧顆粒污泥自身穩(wěn)定也起到重要作用。Martinez等認(rèn)為，高PN/PS的顆粒沉降性能較差，而較低的PN/PS則有利于改善細(xì)胞表面的疏水性，使得AGS趨于穩(wěn)定。在階段Ⅲ~Ⅴ，緊密層的PN/PS呈逐漸上升趨勢(shì)，這主要是由于其PN含量快速增加所致。隨著PN/PS的升高，顆粒的沉淀性能在這三個(gè)階段逐漸變差。不過(guò)，在階段Ⅲ和Ⅳ，雖然沉淀性能有所下降，但顆粒結(jié)構(gòu)并未受到明顯影響。然而到了階段Ⅴ，由于外循環(huán)操作停止，顆粒穩(wěn)定性出現(xiàn)變差的情況。
2.4 好氧顆粒污泥的微生物群落結(jié)構(gòu)變化
2.4.1 微生物群落的多樣性
系統(tǒng)微生物在不同碳氮負(fù)荷下的α多樣性指數(shù)見表2。OTUs是微生物樣品序列按照序列間的距離進(jìn)行聚類分析的結(jié)果，用來(lái)指示特定微生物群落中的不同種類或分類單元。由表2可知，接種顆粒污泥的OTUs為121，在階段Ⅰ降至101，可能是系統(tǒng)中沉降性能差的污泥絮體攜帶出系統(tǒng)所致。此后，在階段Ⅱ至階段Ⅳ前期，OTUs都維持在較低水平。在階段Ⅳ后期OTUs增加至127，說(shuō)明缺氧段增加外循環(huán)操作可以在一定程度上提高微生物種類數(shù)量。在階段Ⅴ末期，系統(tǒng)OTUs降至111，說(shuō)明細(xì)菌群落種類數(shù)量降低。
Chao1、Ace指數(shù)代表微生物群落的豐富度，數(shù)值越大表示其物種總數(shù)越多。好氧顆粒污泥的Chao1和Ace變化趨勢(shì)基本與OTUs一致。Shannon指數(shù)是一種衡量生物群落多樣性的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，其值越大則微生物多樣性越高。由表2可知，接種好氧顆粒污泥的微生物多樣性最高，在投入系統(tǒng)后，先逐漸下降后又有所回升。這表明好氧顆粒污泥中的微生物在經(jīng)過(guò)淘汰篩選并逐漸適應(yīng)環(huán)境后，多樣性大大增加。在階段Ⅴ系統(tǒng)雖然開始崩潰，但顆粒微生物的多樣性并沒有明顯下降。這說(shuō)明僅通過(guò)生物多樣性指標(biāo)并不能判定顆粒是否完全穩(wěn)定。
2.4.2 微生物群落結(jié)構(gòu)的演變
不同碳氮負(fù)荷下系統(tǒng)門和屬水平微生物相對(duì)豐度變化見圖7。在門水平上，不同碳氮負(fù)荷下好氧顆粒污泥微生物的群落組成基本沒有變化，均以Proteobacteria（變形菌門）和Bacteroidetes（擬桿菌門）為主。有研究表明，Proteobacteria和Bacteroidetes具有較強(qiáng)的COD和氨氮降解能力，兩者有利于維持系統(tǒng)良好的處理性能。同時(shí)，在接種污泥中還存在Firmicutes（厚壁菌門），Firmicutes中的芽孢桿菌具有抵抗外界有害因子的能力，且能夠促進(jìn)硝化作用及維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。據(jù)報(bào)道，Firmicutes很容易受到水力剪切力的影響而排出系統(tǒng)，這是其在運(yùn)行中豐度大幅下降的原因。
由圖7（b）可知，接種好氧顆粒污泥在屬水平上的微生物種群較為豐富，基本是以uncultured_bacterium_f_Chitinophagadeae、Rubrivivax（紅長(zhǎng)命菌屬）、Chryseobacterium（金黃桿菌）和Ferruginibacter為主。Chitinophagadeae能分解和利用多糖作為碳和能量來(lái)源。Rubrivivax可在黑暗條件下進(jìn)行化能自養(yǎng)生長(zhǎng)，也可利用各種有機(jī)化合物進(jìn)行好氧化能異養(yǎng)生長(zhǎng)。Chryseobacterium能在低溫環(huán)境生長(zhǎng)，是一種好氧異養(yǎng)菌，常常伴隨著顆粒的不穩(wěn)定出現(xiàn)。Ferruginibacter為DPAO，能利用硝酸鹽作為電子供體，具有厭氧釋磷和好氧吸磷的功能。
系統(tǒng)運(yùn)行13d后，形成了以Dechloromonas（脫氯單胞菌）、Pseudoxanthomonas（假黃單胞菌）為主的細(xì)菌群落，同時(shí)Thauera（陶厄氏菌）和Pseudomonas（假單胞菌屬）開始少量出現(xiàn)。其中，占比最大的Dechloromonas（57%）是一種反硝化聚磷菌，屬于慢速生長(zhǎng)菌，能夠在缺氧環(huán)境中利用內(nèi)部?jī)?chǔ)存的多聚磷酸鹽作為能量來(lái)源釋放磷，并利用硝酸鹽作為電子受體進(jìn)行反硝化。占比第二的假黃單胞菌（16%）是好氧反硝化聚磷菌，能夠利用NO3--N和NO2--N進(jìn)行好氧反硝化。其他少量出現(xiàn)的菌屬中，Thauera（3%）是好氧顆粒污泥系統(tǒng)常見菌，屬于分泌EPS功能屬。它能夠在厭氧條件下降解芳香族化合物，并利用細(xì)胞內(nèi)儲(chǔ)存的碳源進(jìn)行反硝化。Pseudomonas（2%）也是典型的反硝化菌，能夠進(jìn)一步將NO3--N和NO2--N轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮。這些菌屬都屬于慢速反硝化菌，其占比多可以控制顆粒粒徑，使顆粒結(jié)構(gòu)密實(shí)，增加穩(wěn)定性。
在階段Ⅱ末期（第55天），好氧顆粒結(jié)構(gòu)完全恢復(fù)，系統(tǒng)逐漸形成了以Thauera（80%）為主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)菌屬的菌落結(jié)構(gòu)。在階段Ⅲ和Ⅳ，對(duì)反應(yīng)器施加外循環(huán)操作，系統(tǒng)中Thauera仍為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)菌屬，但呈現(xiàn)出隨著階段運(yùn)行占比逐漸降低的趨勢(shì)。其中，在階段Ⅳ前期Thauera占比為68%（第100天），后期降為25%（第157天）。而且，隨著階段Ⅳ后期菌屬多樣性的增加，Rhodobacter（紅細(xì)菌屬）和Dechloromonas成為次優(yōu)勢(shì)菌屬，占比分別為17%和9%。其中，Rhodobacter是一種反硝化細(xì)菌，可以在光照及缺氧條件下進(jìn)行硝酸鹽的還原。由此可以看出，額外施加的外循環(huán)使得缺氧段泥水得以充分混合，大大提高了反硝化效率，系統(tǒng)形成以多種慢速生長(zhǎng)的反硝化脫氮菌為優(yōu)勢(shì)菌屬的群落結(jié)構(gòu)，大大提高了好氧顆粒污泥結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定性。
在階段Ⅴ，AGS結(jié)構(gòu)惡化，主要優(yōu)勢(shì)菌屬為Thauera、Acidovorax、Chryseobacterium、Pseudomonas、Pseudoxanthomonas和Rhodobacter。相對(duì)于第157天好氧顆粒污泥穩(wěn)定性較強(qiáng)時(shí)期的菌屬結(jié)構(gòu)，Thauera和Rhodobacter相對(duì)豐度明顯降低，占比分別降至16%和4%。這說(shuō)明關(guān)閉外循環(huán)后，缺氧環(huán)境混合效果的降低抑制了反硝化菌生長(zhǎng)，使其豐度降低。與此同時(shí)，Acidovorax（16%）和Chryseobacterium（9%）相對(duì)豐度明顯增加。Acidovorax是顆粒污泥體系中比較常見的乙酰基高絲氨酸內(nèi)酯（AHLs）產(chǎn)生菌，有助于增加顆粒污泥表面的疏水性，提高顆粒的穩(wěn)定性。其相對(duì)豐度增加可能是顆粒結(jié)構(gòu)變差的應(yīng)激反應(yīng)。同時(shí)，當(dāng)好氧顆粒污泥系統(tǒng)出現(xiàn)局部結(jié)構(gòu)破壞或微生物受損時(shí)，Chryseobacterium侵入并大量繁殖，進(jìn)一步加重顆粒污泥的不穩(wěn)定。在階段Ⅴ其占比增加，預(yù)示著顆粒結(jié)構(gòu)已經(jīng)被破壞。
3、結(jié)論
①設(shè)置外循環(huán)操作對(duì)好氧顆粒污泥的COD去除性能影響不大，但能大大提高對(duì)TN的去除性能。
②在受到?jīng)_擊時(shí)，好氧顆粒污泥TB-EPS中的PN和PS含量大量增加，提高了好氧顆粒污泥的疏水性和黏附力，強(qiáng)化了其結(jié)構(gòu)。
③設(shè)置外循環(huán)操作更有利于慢速生長(zhǎng)的缺氧反硝化脫氮菌屬的形成和發(fā)展，菌落豐富度增加，多樣性提高。
④在低碳氮比和較高碳氮負(fù)荷條件下通過(guò)施加外循操作提高泥水混合效果，可以增強(qiáng)系統(tǒng)反硝化能力，有效維持好氧顆粒污泥的穩(wěn)定性。（來(lái)源：昆明理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院云南省土壤固碳與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）
